由于电熔焊接自动化程度较高，操作简单，聚乙烯管道常采用电熔焊的连接形式。由于各种因素的影响，电熔接头不可避免地会产生各种缺陷，给管道的使用带来了安全隐患。
 
浙江省特种设备检验研究院的郭伟灿等研究人员提出了采用超声相控阵技术对嵌入式电阻丝电熔连接接头进行检测。
 
超声相控阵工艺参数对检测效果影响很大，由于电熔接头的熔合面在金属电阻丝下方，超声波须穿过电阻丝对熔合面缺陷进行检测，为此应保证足够的分辨力；但分辨力的提高意味着检测频率的提高，由于聚乙烯是声高衰减材料，频率提高会导致穿透力急剧降低，导致检测灵敏度不能满足要求；因此，聚乙烯管道电熔接头超声相控阵检测时要充分考虑分辨力和穿透力两者的协调，对检测工艺参数的选择比常规金属材料检测要苛刻得多。所以针对聚乙烯管道电熔接头相控阵检测技术，研究人员们利用CIVA软件对相控阵声场进行建模仿真研究，对相控阵参数进行优化分析，根据优化后的相控阵参数研制了探头，并进行了聚乙烯管道电熔接头的检测试验。
 
1 线性相控阵辐射声场分析
 
采用线性相控阵进行声场理论分析、参数优化设计及仿真研究。对于一维相控阵阵元，如果阵元的宽度a小于超声波波长λ的一半，则每个阵元都可视为辐射柱面波的线状波源，它们的波阵面相互干涉、叠加，进而产生整体波阵面。
 
设相控线阵的几何参数如图1所示，阵元间距设为d，阵元宽度设为a，声束偏转角为θ0，可得由相同特征的阵元组成的阵的指向性函数：
     
相控阵检测时，其声场结构关系到缺陷的检出和定位定量的可靠性和准确性。超声波能量主要集中在半扩散角所决定的声场范围内。针对聚乙烯PE80材料，根据公式（1）计算不同d/λ值的指向性如图2所示。可见，在四幅指向性图中，波束主瓣都出现在0°方向，峰值为1.0。图2（a）、（b）的d/λ值相同，虽然频率相差1倍，其指向性基本相同；图2（b）、（c）、（d）d/λ值不同，其指向性差别较大。d/λ越大，其指向性越差，在图2（d）中，d/λ值较小，主瓣尖锐、旁瓣小、无栅瓣，达到了较理想的相控阵指向性要求。由此可见，通过适当的减小探头频率、减少阵元间距等方法减小d/λ值，可以消除栅瓣。
 
2 相控阵辐射声场仿真研究 

为研究聚乙烯管道电熔接头超声相控检测时声传播和声聚焦的声学响应，本文用CIVA软件进行超声相控阵探头发射声场计算。表1为不同λ/d值时的相控阵工艺参数和相应的CIVA计算的仿真声场，可看出：当d/λ值大于1时都会不同程度出现栅瓣，d/λ值小于0.5时声束在检测半平面内任意角度扫查不会有栅瓣出现。d/λ值的减少将增加主瓣幅值、减小旁瓣，这与根据式（1）计算的指向性函数结果相符。
 
在上述理论分析和CIVA声场建模的基础上，为使相控阵发射声场获得较好的聚焦效果，以提高缺陷检测的灵敏度和分辨力，相控阵参数的选择与优化十分重要。超声相控阵检测要选定的参数包括发射窗口、频率、阵元尺寸和波型。按照上述思路，本文设计了聚乙烯管道电熔接头检测2种规格的专用相控阵探头5L64-1.0-10-PE和7.5L128-0.5-6-PE，并委托汕头市超声仪器研究所有限公司制作了专用相控阵探头。
  3 检测试验

为研究相控阵工艺参数对聚乙烯电熔接头超声检测的影响，设计了聚乙烯相控阵检测专用试块PE-1A，试块由PE80材料制作而成，在不同深度位置上各制作5个直径为Φ1mm，钻孔深度与厚度一致（25mm）的侧面小孔，以检测相控阵线扫查的检测灵敏度、分辨力和定量精度。
 
7.5L128-0.5-6-PE型号探头的检测频率为7.5MHz，针对PE-1A试块中不同深度的Φ1×25侧面小孔，选择合适的焦距进行检测，使对应的每排的Φ1×25侧面小孔有清晰的成像效果，表2分别为用7.5L128-0.5-6-PE型号探头检测试块PE-1A试块中深度分别为5、10、15、20、25mm的Φ1×25侧面小孔的超声图像对比。从表2可以分析，7.5MHz检测频率线扫描分辨力较高，但深度为25mm的Φ1×25侧面小孔检测信噪比较低，因此其有效的检测深度不宜大于20mm。
  而对于5L64-1.0-10-PE型号探头而言，其检测频率为5MHz，针对PE-1A试块中不同深度的Φ1×25侧面小孔，选择合适的焦距进行检测，使对应的每排Φ1×25侧面小孔有清晰的成像效果，表5分别为用5L64-1.0-10-PE型号探头检测试块PE-1A试块深度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm的Φ1×25侧面小孔的超声图像。从表3分析，并对照表2结果，5L64-1.0-10-PE探头在10mm深度以上线扫描分辨力与7.5L128-0.5-6PE探头相差不大，但对深度为5mm的Φ1×25侧面小孔检测分辨力明显不如7.5L128-0.5-6PE探头，此外，5MHz频率的超声波穿透能力明显大于7.5MHz，从表3可以看出：用5L64-1.0-10-PE探头检测深度为25mm和30mm的Φ1×25侧面小孔也有较高的信噪比。
 
为验证孔径尺寸和聚焦效果的关系，采用5L64-1.0-10-PE探头检测PE-1A试块深度5mm的Φ1×25侧面钻孔。图3为分别激发8、16晶片时的超声成像图，从图中可得出：激发晶片数量增加对近表面区域聚焦有不利影响。仅在激发8晶片时，可实现深度5mm的Φ1×25孔的聚焦，但在激发16晶片时，相控阵声束无法在深度5mm范围内形成有效的聚焦声场，导致Φ1×25孔分辨力下降。因此为了实现近表面区域的聚焦，宜采用孔径尺寸较小的相控阵参数布置。
   
同样，采用5L64-1.0-10-PE探头检测PE-1A试块深度25、30mm的Φ1×25侧面钻孔。图4为分别激发8、16晶片时的超声成像图，可得出：激发晶片数量增加远距离聚焦能力增强。激发16晶片时，相控阵探头对深度为25、30mm的Φ1×25侧面钻孔均有较高的检测灵敏度和分辨力，但在激发8晶片时，对深度为25、30mm的Φ1×25侧面钻孔的聚焦能力弱，导致其检测灵敏度和分辨力明显下降。因此为了实现较大深度区域的聚焦，宜采用孔径尺寸较大的相控阵参数布置。
 
采用上述5L64-1.0-10-PE和7.5L128-0.5-6-PE相控阵探头，选择合理的相控阵检测工艺参数，对聚乙烯电熔接头进行检测试验，具体检测图像见图5所示。检测结果表明，选择合理的检测工艺参数，笔者设计的相控阵探头能有效地检测接头中的孔洞、熔合面缺陷和金属丝错位等各类缺陷，并具有较高的分辨力和信噪比。
 
4 结论

(1) 聚乙烯管道电熔接头超声相控阵检测时要充分考虑分辨力和穿透力两者的协调，超声工艺参数的选择对检测质量影响很大。

(2) 通过CIVA软件进行超声相控阵探头发射声场仿真计算得出，相控阵探头阵元数、晶片尺寸、频率等参数直接影响到发射声场的栅瓣效应。

(3) 利用CIVA软件对相控阵参数的优化结果研制了聚乙烯管道电熔接头专用相控阵探头；通过超声模拟试块和聚乙烯管道电熔接头试样的检测试验结果表明：所设计的探头在合适的工艺参数条件下，能有效地检测接头中的孔洞、熔合面缺陷和金属丝错位等各类缺陷，并具有较高的分辨力和信噪比。
 
节选自《无损检测》2015年第8期

本文作者：郭伟灿,博士,浙江省特种设备检验研究院教授级高级工程师,副总工程师,主要从事承压设备检验检测和风险评定技术研究工作。